物理所鐵基高溫超導體電子結構與超導能隙研究取得新進展

2008年發現的鐵基超導體其超導轉變溫度最高可達55K，是繼1986年發現的銅氧化物高溫超導體之後發現的第二類新的高溫超導體系。它的發現，為高溫超導電性的研究開闢了一個新的方向。與銅氧化物高溫超導體的研究類似，鐵基超導體研究的核心問題是理解其高溫超導電性產生的機理。對材料電子結構的研究是理解材料的宏觀物理性質尤其是超導電性的關鍵。角分辨光電子能譜技術則是探測材料電子結構的最直接和最有力的實驗手段。

中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）超導國家重點實驗室周興江研究組和其他研究組合作，利用自主研製的高解析度角分辨光電子能譜系統，對鐵基超導體的電子結構及超導能隙對稱性展開了一系列研究，取得了一些重要進展。

鐵基超導體發現後不久，他們率先研究了鐵基超導體的能帶結構和費米面。在角分辨光電子能譜對(Sr,K)Fe₂As₂ 超導體的測量中[Haiyun Liu et al., Phys. Rev. B 78, 184514(2008)]，他們最早報導了鐵基超導體的能帶結構具有重整化效應，即實驗測量的能帶寬度與能帶計算的結果相比表現出2~3倍的變窄。同時,他們還首先觀察到了在M點附近出現的奇特的費米面拓撲形狀，存在兩個類似於狄拉克椎(Dirac cone-like)結構的亮點(strong spots)。這些結果，不能用簡單的能帶計算來描述和理解。

超導電性是基於兩個電子形成庫伯對來實現的，超導能隙的對稱性對建立超導微觀機理具有至關重要的作用。周興江研究組與其他研究組合作，最先報導了鐵基超導體的能隙結構。他們通過對最佳摻雜（Ba_0.6K_0.4）Fe₂As₂超導體的電子結構和能隙的測量[Lin Zhao et al., Chin. Phys. Lett. 25, 4402(2008)]，發現超導能隙在費米面上基本上表現為各向同性，未觀測到節點（超導能隙為零）的存在。並且，超導能隙和費米面相關，不同的費米面表現出不同大小的超導能隙。這些結果表明，鐵基超導體的超導能隙與各向同性的s波一致，為鐵基超導體超導對稱性的確定提供了重要信息。

鐵基超導體的母體為反鐵磁金屬，超導電性是通過在母體中摻入載流子（電子或空穴）或施加外壓力使反鐵磁被抑制而實現。因此，研究從反鐵磁母體到超導體的演變，以及反鐵磁和超導的關係，對理解超導機理具有重要意義。周興江研究組與其他研究組合作，對鐵基超導體122系列的母體BaFe₂As₂進行研究[Guodong Liu et al., Phys. Rev. B 80, 134519 (2009)］。他們發現，在磁轉變/結構轉變前後, BaFe₂As₂的電子結構不是表現為簡單的能帶摺疊(folding), 而是表現為劇烈的電子結構重組(reorganization)，而且在磁有序態沒有發現能隙的打開。由此他們明確地提出，BaFe₂As₂中的磁轉變與通常的自旋密度波形成有顯著的區別。在對鐵基超導體1111系列母體CeFeAsO的研究中［Haiyun Liu et al., Phys. Rev. Lett. 105, 027001 (2010)］，他們首次發現圍繞布裡淵區中心存在一個大的空穴型費米面，而能帶結構計算沒有預言此費米面的存在，表明在鐵基超導1111體系中可能存在表面態。此外，在鐵基超導體的母體中還第一次觀察到色散扭折 (Kink)。

2010年，鐵基超導體A_xFe_2-ySe₂（A=K，Tl，Cs，Rb，等）的發現，掀起了鐵基超導體研究的一個新的熱潮，也對人們在研究其它鐵基超導體系列中形成的一些重要觀念提出了挑戰。在此之前，其它鐵基超導體在布裡淵區中心點普遍存在空穴型費米面。電子在這些點附近的空穴型費米面與Ｍ點附近的電子型費米面之間的散射, 以及費米面之間的嵌套結構(nesting)，被廣泛認為是鐵基超導體中形成s+-超導配對的原因。A_xFe_2-ySe₂的發現對這一觀點提出了強烈的質疑。這是因為，儘管它的超導轉變溫度達30K以上，能帶結構計算卻表明, 在布裡淵區中心不再具有空穴型的費米面，所以也就不存在費米面的嵌套以及電子在空穴型費米面與電子型費米面之間的散射。對這類新的鐵基超導體的電子結構和超導能隙的研究，無疑將對完整理解鐵基超導體的超導機理，提供重要的信息。

周興江研究組和其他研究組合作，迅速開展了對A_xFe_2-ySe₂超導體的角分辨光電子譜研究。在轉變溫度為32K的Tl_0.58Rb_0.42Fe_1.72Se₂的超導樣品中，發現在圍繞布裡淵區中心Γ點的確不存在空穴型費米面。更重要的是，他們首次觀察到了圍繞Γ點的兩個電子型的費米面，這不同於能帶理論預測以及部分實驗測量得到的沒有或只有一個費米面的情形，為完整認識A_xFe_2-ySe₂的電子結構提供了重要的實驗依據。進一步的超導能隙測量結果表明，圍繞Γ點的外層電子型費米面及圍繞M點的電子型費米面都無能隙節點存在，具有接近各向同性的超導能隙，表明超導配對對稱性傾向於s波。這些結果為鐵基高溫超導體機理的建立提供了重要信息，相關文章發表在近期物理評論快報上［Daixiang Mou et al., Phys. Rev. Lett. 106, 107001 (2011)］，並被選為」編輯推薦」論文。

緊接著，他們在對K_0.68Fe_1.79Se₂和Tl_0.45K_0.34Fe_1.84Se₂超導體的高分辨光電子能譜的研究中［Lin Zhao et al., Phys. Rev. B 83, 140508(R) (2011)］，發現它們與Tl_0.58Rb_0.42Fe_1.72Se₂具有類似的費米面拓撲結構，即在布裡淵區中心Γ點存在兩個電子型的費米面。這不僅統一了不同研究組在A_xFe_2-ySe₂體系的費米面測量上的分歧，而且建立了A_xFe_2-ySe₂系列中電子結構的共性。同時，通過對K_0.68Fe_1.79Se₂和Tl_0.45K_0.34Fe_1.84Se₂超導體的超導能隙的測量，也建立了A_xFe_2-ySe₂系列超導體具有無節點各向同性超導能隙的一個普適的圖像。

以上工作得到了科技部973項目和國家自然科學基金委的資助。

圖1：Tl_0.58Rb_0.42Fe_1.72Se₂的費米面拓撲結構。

圖2：Tl_0.58Rb_0.42Fe_1.72Se₂的能帶結構。

圖3：Tl_0.58Rb_0.42Fe_1.72Se₂的能帶結構和超導能隙隨溫度的變化關係。

圖4：Tl_0.58Rb_0.42Fe_1.72Se₂超導能隙的動量依賴關係。